Etude et modélisation du comportement mécanique de panneaux de structure soudés par friction-malaxage (FSW)

Experimental and numerical study of structures welded by Friction Stir Welding (FSW)

• Auteur / Autrice : Xavier Truant
• Direction : Georges Cailletaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 05/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Habibou Maitournam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Cailletaud, Franck Morel, Florent Fournier dit Chabert, Guillaume Abrivard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Habibou Maitournam, Abdellatif Imad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrélation d'images numériques

Aluminium -- Alliages

Soudage par friction-malaxage

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

FSW

Al-Cu-Li

Gradient de comportement mécaniques

Fatigue

Chargement multiaxiaux

DIC

Friction Stir Welding

Al-Cu-Li alloys

Mechanical behaviour gradient

Fatigue

Multiaxiality loads

Digital Image Correlation

Résumé

Le procédé de soudage par friction malaxage (FSW) entraîne, d’une manière générale, une importante chute de dureté à travers le joint soudé. Dans le but de concevoir des structures aéronautiques soudées par FSW en fatigue, il est nécessaire de connaître l’impact de cette chute de dureté dans le comportement mécanique global de la soudure. Dans ces travaux, l’alliage d’aluminium à durcissement structural 2198-T8 est considéré. Une chaîne de calcul de durée de vie en fatigue d’une structure soudée par FSW est mise en place. Elle intègre un couplage de calculs et d’expériences grâce auxquels le comportement mécanique de la structure est modélisé. Dans un premier temps, le gradient de comportement mécanique de la soudure est étudié. Des essais mécaniques de traction et cycliques sont réalisés à température ambiante. La méthode de corrélation d’images numériques (DIC) est utilisée dans le but de mesurer les champs de déplacements localement dans et au voisinage du joint soudé. À partir des résultats expérimentaux, les paramètres mécaniques d’un modèle de comportement sont identifiés à partir d’un élément de volume, zone par zone à travers le joint soudé. En parallèle, une quantification des précipités durcissants T1 (Al2CuLi) est menée dans différentes zones du joint soudé à l’aide d’un Microscope Electronique en Transmission (MET). Un lien entre l’évolution de la microstructure à travers la soudure et l’évolution des paramètres mécaniques est recherché. Le modèle de comportement mécanique est utilisé sur des calculs de structure utilisant la méthode des éléments finis pour simuler le joint soudé. En parallèle, des essais de fatigue sont réalisés sur des éprouvettes uniaxiales et cruciformes soumises à des chargements uniaxiaux et multiaxiaux. À l’aide des simulations du gradient de comportement mécanique du joint soudé ainsi que des résultats mesurés en fatigue, les paramètres d’un modèle d’endommagement sont identifiés. Ce modèle est utilisé pour prédire les durées de vie en fatigue et les zones d’amorçages de fissure pour une structure soudée soumise à des chargements multiaxiaux.

The Friction Stir Welding (FSW) process generally induces a critical hardness decrease inside the welded joint. To design aeronautical structure welded by FSW in fatigue, it is then necessary to know the impact of this hardness drop on the constitutive behaviour of the junction. In this study, the hardening structural aluminium alloy 2198-T8 is considered.A fatigue lifetime assessment loop of a welded structure is implemented. It integrates a calculations and experiments coupling which is used to model the structure’s mechanical behaviour. The gradient mechanical behaviour of the weldment is initially studied.Monotonic and cyclic mechanical tests are carried out to room temperature. Digital Image Correlation (DIC) is used to measure local displacement fields around the junction. Based on this experimental data, mechanical parameters for a constitutive model are identified on a volume element, zone by zone across the welded joint. In parallel, a quantification of the T1 (Al2CuLi) strengthening precipitates is realized in different region of the joint with a Transmission Electron Microscope. A connection between the microstructure evolution and the mechanical parameters is researched. The gradient mechanical behaviour of the joint is assessed on a 3D structure by Finite Element Analysis. Furthermore, fatigue tests are carried out on uniaxial and multiaxial loadings welded specimen. Thanks to the mechanical behaviour model and the fatigue lifetime measured, a damage model is used to predict the fatigue lifetime and the crack initiation zone for a welded structure which is subjected to higher multiaxial loads.